自動控制理論體系

1、 自動控制理論的發(fā)展與體系1控制理論發(fā)展的歷史,現(xiàn)狀及前景1經(jīng)典控制理論以單變量控制，隨動/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，以頻率響應(yīng)法為主要方法。數(shù)學(xué)工具：微分方程，復(fù)變函數(shù)3后現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)、 智能控制 ；以 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互為代表的信息自動化 集成的理論與技術(shù)。2現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論以多變量控制、最優(yōu)控制為主要內(nèi)容，采用時(shí)域法，以狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)， 泛函分析2經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論，以單變量控制，隨動/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，所用的方法主要以頻率響應(yīng)法為主。數(shù)學(xué)工具： 微分方程， 復(fù)變函數(shù)3第一階段：經(jīng)典控制理

2、論 (一)、經(jīng)典控制理論階段 閉環(huán)的自動控制裝置的應(yīng)用，可以追溯到1788年瓦特（J.Watt）發(fā)明的飛錘調(diào)速器的研究。然而最終形成完整的自動控制理論體系，是在20世紀(jì)40年代末。 最先使用反饋控制裝置的是希臘人在公元前300年到1年中使用的浮子調(diào)節(jié)器。凱特斯比斯（Kitesibbios）在油燈中使用了浮子調(diào)節(jié)器以保持油面高度穩(wěn)定。4第一階段：經(jīng)典控制理論 19世紀(jì)60年代期間是控制系統(tǒng)高速發(fā)展的時(shí)期，1868年麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）基于微分方程描述從理論上給出了它的穩(wěn)定性條件。1877年勞斯（E.J.Routh）,1895年霍爾維茨（A.Hurwitz）分別獨(dú)立給出了高階線性系

3、統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)；另一方面，1892年，李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）給出了非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。在同一時(shí)期，維什哥熱斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一種正規(guī)的數(shù)學(xué)理論描述了這種理論。 1922年米羅斯基(N.Minorsky)給出了位置控制系統(tǒng)的分析，并對PID三作用控制給出了控制規(guī)律公式。 1942年，齊格勒（J.G.Zigler）和尼科爾斯(N.B.Nichols)又給出了PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定法。上述方法基本上是時(shí)域方法。 5第一階段：經(jīng)典控制理論 1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了負(fù)反饋系統(tǒng)的頻率域穩(wěn)定性判據(jù)，這種方法只需利用頻率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。19

4、40年，波德(H.Bode)進(jìn)一步研究通信系統(tǒng)頻域方法，提出了頻域響應(yīng)的對數(shù)坐標(biāo)圖描述方法。1943年，霍爾(A.C.Hall)利用傳遞函（復(fù)數(shù)域模型）和方框圖，把通信工程的頻域響應(yīng)方法和機(jī)械工程的時(shí)域方法統(tǒng)一起來，人們稱此方法為復(fù)域方法。 頻域分析法主要用于描述反饋放大器的帶寬和其他頻域指標(biāo)。 第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，經(jīng)典控制技術(shù)和理論基本建立。1948年伊文斯（W.Evans）又進(jìn)一步提出了屬于經(jīng)典方法的根軌跡設(shè)計(jì)法，它給出了系統(tǒng)參數(shù)變換與時(shí)域性能變化之間的關(guān)系。至此,復(fù)數(shù)域與頻率域的方法進(jìn)一步完善。 6第一階段：經(jīng)典控制理論總結(jié):經(jīng)典控制理論的分析方法為復(fù)數(shù)域方法,以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模

5、型，常利用圖表進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，比求解微分方程簡便。優(yōu)點(diǎn):可通過試驗(yàn)方法建立數(shù)學(xué)模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應(yīng)用。缺點(diǎn):只適應(yīng)單變量線性定常系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解，且復(fù)數(shù)域方法研究時(shí)域特性，得不到精確的結(jié)果。7控制理論發(fā)展的歷史,現(xiàn)狀及前景1經(jīng)典控制理論以單變量控制，隨動/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，以頻率響應(yīng)法為主要方法。數(shù)學(xué)工具：微分方程，復(fù)變函數(shù)3后現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)、 智能控制 ；以 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互為代表的信息自動化 集成的理論與技術(shù)。2現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論以多變量控制、最優(yōu)控制為主要內(nèi)容，采用時(shí)域法，以狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)，

6、泛函分析8現(xiàn)代控制理論、后現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論 60年代初形成并迅速發(fā)展起來的 現(xiàn)代控制理論是在航天、航空、導(dǎo)彈等軍事尖端技術(shù)的發(fā)展，對自動控制系統(tǒng)提出越來越高的要求的推動下發(fā)展起來的。要求設(shè)計(jì)高精度、快速響應(yīng)、低消耗、低代價(jià)的控制系統(tǒng)；被控制對象越來越大型、復(fù)雜、綜合化，從單個(gè)局部自動化發(fā)展成綜合集成自動化后現(xiàn)代控制理論 80年代以后，控制理論向廣度與深度發(fā)展 大系統(tǒng)，是指規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜變量眾多的信息與控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)理論中，采用狀態(tài)方程和代數(shù)方程相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)空間，運(yùn)籌學(xué)等相結(jié)合的數(shù)學(xué)方法。 智能控制 是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的是智能機(jī)器人，

7、智能主體等。 21世紀(jì) 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互為代表的信息自動化 集成的理論與技術(shù)。9第二階段：現(xiàn)代控制理論 20世紀(jì)60年代初，在原有“經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，形成了所謂的“現(xiàn)代控制理論” 。 為現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)空間法的建立作出貢獻(xiàn)的有，1954年貝爾曼(R.Bellman)的動態(tài)規(guī)劃理論，1956年龐特里雅金(L.S.Pontryagin)的極大值原理，和1960年卡爾曼（R.E.Kalman）的多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。 頻域分析法在二戰(zhàn)后持續(xù)占著主導(dǎo)地位，特別是拉普拉斯變換和傅里葉變換的發(fā)展。在20世紀(jì)50年代，控制工程的發(fā)展的重點(diǎn)是復(fù)平面和根軌跡的發(fā)展。進(jìn)而在20世紀(jì)80年代，數(shù)

8、字計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的使用變得普遍起來，這些新控制部件的使用使得控制精確、快速。10第三階段：大系統(tǒng)控制 20世紀(jì)70年代開始，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法，該方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法，該方法以系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，處理被控對象不確定和緩時(shí)變，在實(shí)時(shí)辨識基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法，該方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性；（4）預(yù)測控制方法，該方法為一種計(jì)算機(jī)控制算法，在預(yù)測模型的基礎(chǔ)上采用滾動優(yōu)化和反饋校正，可以處理多變量系統(tǒng)。11第四階段：智能

9、控制 智能控制的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。被控對象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。 試圖用傳統(tǒng)的控制理論和方法去解決復(fù)雜的對象，復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)是不可能的。 智能控制的方法包括模糊控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，專家控制等方法。12目前的發(fā)展趨勢1突出含機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)的大系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)與人機(jī)交互系統(tǒng)的集成；3人才培養(yǎng)：多學(xué)科交叉、基礎(chǔ)雄厚、適應(yīng)面寬。培養(yǎng)寬口徑、多面手、復(fù)合型人才2控制論的根本是信息的控制， 包括模型的建立（數(shù)學(xué)特征），信息的處理（計(jì)算機(jī)微電子技術(shù)）與實(shí)體的控制（領(lǐng)域知識，工程特征）13我國控制理論的教學(xué) 1949. 上海交大 張鐘俊 伺服系統(tǒng)1950 清華大學(xué) 鐘士模 自動調(diào)節(jié)原理5060